针对主次梁转换建筑的结构工程设计
关键词：建筑结构设计，结构分析，抗震措施
一、结构选型与结构布置
本工程地下两层,地上五栋三十一层。地下室为车库和设备用房,首层为商场,二、三层为办公楼,四层为会所兼作转换层,要求有较大的空间,采用框架剪力墙结构;五至三十一层为住宅,采用剪力墙结构。四层以上墙体除楼、电梯间墙体落地以外,其余墙体均未落地,其内力需经转换构件来传递。由于厚板转换传力路线不清晰、受力复杂、质量巨大,会引起转换层附近构件应力集中现象严重,同时造价较高,故采用主次梁转换(两栋典型的双塔结构平面见图1～图3)。
主次梁转换层受力明确,施工相对简单,同时,在转换梁受力较小部位可以开设合适的洞口,容易满足建筑功能和设备管线布置的要求。转换层层高5.7m,转换主梁最大截面为1300mm×2800mm,典型转换主梁截面为800mm×2500mm,典型转换次梁截面为600mm×2200mm和800mm×2200mm；转换层板厚取为200mm,转换层下层板厚取为150mm。转换梁承托上部剪力墙,混凝土强度等级为C45。
二、结构分析
⑴本工程属丙类建筑,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,100年重现期的基本风压值ω0=0.55kN/m2,地面粗糙度C类,建筑体形系数μs=1.4。采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部开发的SATWE(空间杆-墙板元模型)和TAT(空间杆-薄壁杆系模型)程序进行结构计算,并采用PM2SAP分析楼板应力,其结构自振周期、剪重比、基底剪力、位移及倾覆弯矩计算结果列于表1～表4。
⑵正常设计的高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层侧向刚度,否则变形会集中于刚度小的下部楼层而形成薄弱层,为了防止这种薄弱层的出现,《高规》要求楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。在本工程中转换层上一层剪力墙厚度为200～350mm,混凝土强度等级为C40,转换层及以下结构的剪力墙厚度加大为600mm,柱子截面尺寸取1000mm×1000mm,1500mm×1300mm等,混凝土强度等级为C45,得到转换层同其上一层的侧向刚度比为X向1.02,Y向0.70。
《高规》规定,底部大空间层数大于1层时,其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe宜接近1,非抗震设计时γe不应大于2,抗震设计时γe不应大于1.3,本工程转换层上、下层结构的等效侧向刚度比γe为X向0.1936,Y向为0.3032。
侧向刚度规则性由层间位移角比值控制,即该层的层间位移角θi=(Δi-Δi-1)/hi大于相邻上一层的1.3倍或大于其上相邻三个楼层层间位移角平均值的1.2倍时为侧向刚度不规则,其中,Δi、Δi-1为第i层、i-1层水平弹性位移,hi为第i层层高。本工程转换层的层间位移角同其上一层的层间位移角比为X向0.36,Y向0.55。
⑶结构平面布置应减少扭转的影响,本工程的扭转规则性分析见表5。
⑷从表6可见,转换层剪力墙在常遇地震作用下剪应力水平(V/fcbh0)为0.025,转换层上一层剪力墙剪应力水平为0.017,可以保证在常遇地震作用下剪力墙不发生剪切破坏；在工程界,最近提出了弹性水平地震作用增大系数法来设计转换结构,该方法的基本思想是:假设结构在罕遇地震作用下仍处于弹性状态,根据规范给出的多遇地震和罕遇地震的水平地震影响系数最大值αmax的比值来放大多遇地震作用下的水平地震作用,而此时将荷载分项系数和材料分项系数取1.0。则设计转换结构时的内力组合为G+βE=G+6.25E,其中G为重力荷载作用代表值,E为多遇地震作用下的水平地震作用标准值;而与此内力组合对应的转换结构设计采用材料的标准值而不是设计值。采用这种方法可以得出在罕遇地震作用下,转换层剪力墙的最大剪应力水平仅为0.156,可以保证在规范规定的罕遇地震作用下剪力墙不发生剪切破坏。
⑸通过PMSAP对转换层楼板应力分析结果可见:在常遇地震作用下,楼板最大主拉应力为0.25MPa<ft=1.80MPa；楼板最大剪应力为0.19MPa<0.7ft=1.26MPa；采用增加系数法可得出罕遇地震作用下,楼板最大主拉应力为1.56MPa<ftk=2.51MPa；楼板最大剪应力1.19MPa<0.7ftk=1.76MPa。其他层楼板应力分析结果均满足材料强度要求,这里不再赘述。
三、带转换层的高层建筑结构设计关键问题
根据建设部关于《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的要求,本工程属于超限高层建筑,结合本工程设计总结了以下带主次梁转换层的高层建筑结构设计的主要抗震措施。
⑴保证大空间层需求的裙房有足够的刚度,防止沿竖向刚度变化过于悬殊,严格控制转换层上下结构的侧向刚度比。抗震设计时,转换层结构侧向刚度不小于其上一层结构侧向刚度的70%,根据《高规》附录E控制转换层上下结构等效侧向刚度比宜大于1.0,不应大于1.3。同时应保证一定比例的剪力墙落地,加大落地剪力墙的厚度,提高落地剪力墙混凝土强度等级,减小洞口尺寸,使纵横墙尽量连接形成筒体。
⑵加强转换层楼板平面内的整体性和侧向刚度,采用现浇混凝土楼板,板厚取为200mm,同时加强转换层上、下一层楼板平面内刚度,板厚取为150mm；结构布置尽量左右对称,加强薄弱部位楼板的厚度及配筋;在结构整体分析中,考虑薄弱部位楼板平面内变形对结构受力的影响；通过调整剪力墙的布置方式,使结构质心和刚心接近,避免扭转；平面尽量布置规则。
⑶按《工程场地地震安全性评价报告》提供的人工合成地震波加速度和选择两条典型的地震波加速度记录,进行结构弹性时程分析；采用两个不同力学模型的结构空间分析程序进行计算,一个采用空间杆-薄壁杆系模型,另一个采用空间杆-墙板元模型；计算中考虑双向地震作用下的扭转影响；除计算正交的X向、Y向外,还计算可能受力不利的45°和135°方向。
⑷控制风荷载和地震作用下结构层间位移角,要满足规范对地震基底剪力与重力荷载代表值的比值限制；控制结构底部加强区剪力墙及其它部分剪力墙、框支柱及非框支柱轴压比。
⑸适当加强框支剪力墙转换层以下竖向构件的配筋率；按《高规》验算结构抗倾覆和整体稳定；采用现浇钢筋混凝土楼板,增强结构整体性；核心筒内部楼板厚采用150mm,双层双向配筋；围护材料选用新型轻质材料,有利于减轻建筑自重,减小地震反应。
